砂泥漿管（guǎn）道流量計在應用中的信號基準確定與直流噪聲幹擾

砂泥漿（jiāng）管（guǎn）道流量計自1950年問世以來，伴隨著電子技術和計算機數字技術（shù）的發展，目前砂泥漿管道流量計已經品種和類型（xíng）已經非（fēi）常豐富，生（shēng）產技（jì）術也相當成孰（shú）與完善，是（shì）流量計儀表市場*受歡迎的品種之一。
砂泥漿管道流量計*初的工作（zuò）模型是由法拉*提出，作為電磁感應原（yuán）理的開（kāi）創者（zhě）與奠基人，法拉（lā）*為人類從鉛（qiān）與火的時代邁向（xiàng）光與電的時代作出了巨大的貢獻，人（rén）類曆史上*一例砂（shā）泥漿管道流量計測量的案例也（yě）是由法拉*在1832年在泰晤士河進行的，當時是進行的河水流速的測量試驗，但是試驗並沒有成功，究其原因（yīn），是因（yīn）為直（zhí）流信號中包含有漂移的直流（liú）*化電壓,其值難以和（hé）信號分辨，盡管後（hòu）來的砂（shā）泥漿管（guǎn）道流量計經曆了交流勵（lì）磁、低（dī）頻矩形波勵磁等技術進步與（yǔ）發展,對於電磁感應引起的正交幹擾、同相幹擾和由於靜電感（gǎn）應引起（qǐ）的串模（mó）幹（gàn）擾、共模幹擾以及漿液對測量電*摩擦（cā）出現的尖（jiān）狀（zhuàng）幹擾所造成的零點不穩定與測量輸出擺動等問題非常有效地給予（yǔ）解決。對於測量（liàng）電解質流體,接地(接液)部件與測量電（diàn）*間產生漂移的直流*化電壓依然存在,仍然會影響到流量（liàng）信號的基準點穩定（dìng）與否（fǒu）,進而影響輸出信號的穩定性與可（kě）靠性。因（yīn）而,對於流量信號的基準（zhǔn）有必要予以（yǐ）正確認識,並采取有效解決（jué）措施（shī）。
由電學知識可知,對作為電動勢的電磁（cí）流量（liàng）信號測量,重要的是需（xū）要（yào）有一個穩定的電位差基（jī）準點,也就是（shì）信號要良好接地。過去一些人往往隻追求接地電阻（zǔ）盡量小,以為這（zhè）樣就能夠得到穩定的流（liú）量信（xìn）號。其實不然,導電流體介質作為信（xìn）號的基準點更為重要。
從多年研究、應用砂泥（ní）漿管道流量計的經驗出發,對現場遇到的這類實際測量問題進行分析,力圖認識導電流體作（zuò）為信號的基準點的（de）重要性,並提（tí）供（gòng）基準點接（jiē）液（yè）的方法,供參考。
1、導（dǎo）電流體是流量信號電壓的基準電位點
眾所周知,對一個電壓信號,總有一個基（jī）準的“地”點和一個變化的“信號”端點,以構成電位差。初期的電磁流量傳感器曾把（bǎ）一個測量電*作為信號的“地”點,另一個測量電*作為“信（xìn）號”點。這種信號傳輸稱為“單端信號”,同其（qí）他（tā）電壓信號（hào）一（yī）樣,用（yòng）圖1a可以說明。單端信號（hào）的放大是把直流和交流的各種幹擾電（diàn）壓和信號迭加在一起同（tóng）時輸入到放大器輸（shū）入端子。通（tōng）常,我們稱這些幹（gàn）擾為串（chuàn）模幹擾、正態幹擾或橫向幹（gàn）擾（rǎo）等。放大器很難把幹擾（rǎo）從信號中分開,這些幹擾（rǎo）信號往往幅度很大,遠大於毫伏級或微伏級的流量（liàng）信號。於（yú）是,這些（xiē）幹擾（rǎo）就（jiù）造成了放大（dà）信號的失真,使得放（fàng）大器飽和、堵塞,以至於不能工作。
現代砂泥漿管道流量計的流量信號都是以差動形式由傳感器傳輸到轉換放大器的。如同其它差動電壓測量,拾取（qǔ）電（diàn）磁流量信號的兩個電*都不直接接轉換（huàn）放大器的信號“地”,而是（shì）把“零電阻”的流體介（jiè）質接到轉換放大器的（de）信號“地”端子上。圖1b所示（shì）是這種差動流量信號的等效電路。進入差動信號放大器兩信號端子（zǐ）的信號對“地”端子是幅度大小相等、*性相反,差動放（fàng）大器放大的是兩電*信（xìn）號（hào）端子（zǐ）的差值（zhí）。因此,對流量信號而言,差動放大器呈放大狀態。然而,對幅（fú）度大小相等、*性相同的共模幹擾,進入（rù）差動（dòng）放大器差值幾乎為零,輸出也就幾乎為零。差動放大器對共模幹擾呈衰減狀態。盡管由於接地回路的地電流、*化電壓、勵（lì）磁電源與電*間（jiān）的靜電耦合等原因,在差動流量信號中含有共模幹擾時,隻要電（diàn）壓放大器的參數對（duì）稱,除非共模幹擾能夠轉化為一定的串模幹擾,這些幹擾是不會影響信號放大的。事實上,隨著集成運放電路製（zhì）造技術的發展,器件的共模抑製比越來越高,如果再采用電（diàn）源浮動電路（lù）等措施,共模抑製比會更（gèng）高,測量的精度也就越來越高。

砂泥漿管道流量計應用中信號（hào）基準與直（zhí）流噪聲
導電流體介質（zhì）作為信號的基準點能夠把流量信號分成差分的差動狀態,並且一再強調測量流體必需可靠地接信號轉換放大器的接地端子。這是因為差動（dòng）信號的（de）基準點（diǎn）的變動會使原（yuán）本電壓幅度大（dà）小相等、*性相同的共模（mó）幹擾（rǎo）,變成幅度不等（děng）的差模幹擾電壓,也就是轉化為（wéi）串模幹擾。如前麵所述,這時的差動放大器對於抑製串模幹（gàn）擾也就無能為力了。
2、可靠的信號基準與正確接地
這裏再次強調,把被測量的液體導電介質（zhì）視為零電（diàn）阻,然後作為差動流量信號的基準點。理論上講（jiǎng）,基準點值越小越（yuè）好,越小其電阻值越接近於零,差動信號幅值分的就越相等。這就是說,被測導電流體應是在大麵積的容器內,或者處在長管線的管道中。在文獻[1]中（zhōng）已（yǐ）作分析,流體的體電阻Rt可由電阻率公（gōng）式求得（dé）:

砂泥漿管道流量計（jì）應用中信號基準與直流噪聲
這裏,導體長度是測量管道的內徑D,導體材料電（diàn）阻率（lǜ）是電導率σ的倒數,管（guǎn）道長度記作l。一般來說,液體輸送管道都與（yǔ）大地相連。這種假設流體的體電阻為零（líng）的要求,比較容易做到。但在一些模擬試驗時,利用一桶水、一盆水,不一（yī）定能滿足這一要求（qiú）。
有了（le）導電液體作為信號的基準（zhǔn）,還（hái）必須用正確方法把這一基準引（yǐn）到差動（dòng）信號接線端子的中點（diǎn）。實際應用中,采用以下幾種（zhǒng）方法將測（cè）量流（liú）體介質作為砂（shā）泥漿管道流量計的信號基準點引出:
流量傳感器安裝在前後是金屬管道的管道中,這時導電流體可以通過流量傳感器前後的金屬管道（dào）與之電連（lián）接,然後用導線把（bǎ）前後管道與傳（chuán）感器的接地端子電連接起來。有時候,這種情況不一定完全能使傳感器與前（qián）後管道電連接良好,因（yīn）為傳感器的絕緣襯裏及絕緣墊圈有可（kě）能仍然電隔離了傳感器（qì）與前後管道,這時需要用金屬導線將前後管道與傳（chuán）感（gǎn）器（qì）連接起來。
在傳感器前後管道是非金屬或者金（jīn）屬（shǔ）管道內壁（bì）襯有絕緣襯裏（lǐ）的情況下,應用傳感器前後法蘭連有金屬接地環的流量計。導電流（liú）體依靠金屬（shǔ）接地環(比較確切（qiē）地應稱作接（jiē）液環)與之連接。然後,用接地環與傳感器信號地相連接,對於（yú）被測流體電導率比較低的情況,由於（yú）液體的體電阻比較大,這時可以采用導電金屬短管代替接地環。
有些情況,譬如強腐蝕液體的測量,為了節約昂貴的金屬材料,可以用接地（dì）(接液)電*的方法（fǎ）來連接基準到傳（chuán）感器接地點。因為,這種方式往（wǎng）往測量腐蝕液體的（de）電導（dǎo）率比較（jiào）高,液體的體電阻非常小,所以用（yòng）一個點電*來連接就行了。
當然,在實際應用中,除了流體（tǐ）作為信號基準接地外,還要注（zhù）意到前後管道是金屬管道情況,前後管道應當與傳感（gǎn）器的電連接良好。這是（shì）因為金屬管道中往往（wǎng）有（yǒu）地電流、雜散電流、三相不平衡電流,這些電流會在與傳感器測量管沒有良好電連接的兩端管道中形成大的電壓降,構成了大（dà）的（de）共模電壓,然後通過接地電阻加到信號電*上影響測量。還要注意到,前（qián）後金屬管道為（wéi）防腐蝕的目的或電解（jiě）廢水測量時,可能通有（yǒu）陰*保護電流和大的直流（liú）電流在管道中流過（guò）,這時前後應用低電阻的大麵積銅板把前後金屬管道連接起來,使大電流由銅板旁路流過,在傳感器（qì）測量管上不形成大的壓降（jiàng）。
至於接地電阻,隻要（yào）將傳感器、前後金屬管道、接地環按一點接（jiē）地法的（de）原則接大（dà）地,接地電阻大小要求並不嚴格。一般情況下,接地電阻在100Ω以下就可以,有防爆要求應小於10Ω。
3、直流噪（zào）聲
3.1流體中的*化電壓
我們知（zhī）道（dào）,電*埋在電解質的液體中將發生正負離子的定向移動（dòng）,在電*與流體介質間會形成一定的電場（chǎng）。這就是平常所說的*化現（xiàn）象。這個現象可（kě）以通過一個實驗觀察。當用毫伏電壓表(數字式萬用表的電壓檔)的（de）試筆插入一杯水中,電壓表能讀出電壓值。這是因為（wéi）電壓表試筆的材質有（yǒu）差別,試筆上形成的*化電位不同,因而形成了電位差。電*與接地（dì）環(金屬管道、接地電*)材質不同,形（xíng）成（chéng）的*化電壓大小和方（fāng）向將不同。*化電壓是漂移的直（zhí）流電壓。圖2所示測量電*、金屬管道(或者接地環、接地電*)對（duì）流體(視為0Ψ的電阻)的電壓分別為e1,e2和e3。可以看出,e3是共（gòng）模電（diàn）壓,它們分別與差動的流（liú）量信號（hào）e1和e2迭加,進（jìn）入轉換器的差動放大器。過大的*化電壓(例如下麵我們分（fèn）析的（de）情況可能高達（dá）幾百mV)直接進入差動放大器往往（wǎng）把放大器阻塞,流量（liàng）信號不能放大。即使能放大,由於迭加的共模電壓是漂移變（biàn）動的,因此流量信號的輸出（chū）擺（bǎi）動也很（hěn）大。這樣說來,如何降低*化電壓（yā）非常重要。

砂泥漿管道流量計應用中（zhōng）信號基準與直流噪聲
任何金屬浸入（rù）一種電解溶液（yè）時,其帶電的正離子趨（qū）向於溶解而金屬本身（shēn）則保持負電荷,這就形成了一定電位的（de）電*。這種電*在介質中（zhōng）形成一個電位（wèi）差,產生電流,使（shǐ）電*繼續溶解,即繼續腐（fǔ）蝕。這就是電化學的過程。形成的電*的電（diàn）位可用能斯脫方程表示[2]:

砂泥漿管道流量計應用中信號基準與直流（liú）噪聲
式中:n為該金屬的化合價;T為絕對溫度;R為理想氣體的摩爾常數,8.31焦耳/摩爾·K;F為（wéi）法拉（lā）*常（cháng）數;C為（wéi）金屬離子濃度的常數;c為（wéi）溶液（yè）中金屬離子的活度。

對於所研究的離子標準溶液的（de）電位（wèi）稱為標準電（diàn）位,用E0表示,於是得到金屬在25時電*電位為（wéi）
砂泥漿管（guǎn）道流量計應用中信號基（jī）準與直流（liú）噪聲
文獻[2]列出了相對於標準氫電*的標（biāo）準電位(見表1)。
砂泥漿管道流量計應用中信號基準與直流噪聲

按金（jīn）屬材料學[3],在一種金屬中加入一（yī）其（qí）它合金材料,能提高基體的電*電位（wèi）。譬如在鐵素體中溶解11.7%的鉻時,其電*電位（wèi）將由- 0.56V躍升（shēng）為+0.20V。加入大量的鉻或鉻鎳合金使鋼能形成單相的奧氏體組織,以（yǐ）免形成微電池,降低直流*化電壓,從而顯著（zhe）提（tí）高耐腐蝕（shí）性。
3.2直（zhí）流噪聲的（de）降低
按上麵介（jiè）紹金屬材料（liào）的*化電位,並與（yǔ）圖2結合起來可以看出,當（dāng）在同一種電解質流體中接觸兩種不同材質的金屬（shǔ）,它們（men）*化電位的方向和大（dà）小不同。兩個金屬電*間的電壓大小和*性隨*化電位的方（fāng）向和大小而變。譬（pì）如,測量電*的材料是含鉻（gè）鎳的不鏽鋼,它們對測量流體介（jiè）質的電位是+ 0.2V;接液（yè）的（de）前後管道是碳鋼,對測量流體介質的電位是- 0.58V。那麽,由圖2可以（yǐ）計算,測量電（diàn）*對接液管道的電壓是（shì）+ 0.78V。如（rú）果不使用前後金屬管道作為基準點連接方（fāng）式,而使用接地環,接地環（huán）的（de）材料（liào）也（yě）使用與測量電*相同的含鉻鎳的（de）不鏽鋼,這時測量電*對（duì）基（jī）準點的（de）電壓會變成0V。也就是說,降低了直流共模（mó）幹擾。相反,如果電*材料越貴重,譬如是鉭或鉑,金屬接液部件的材料是碳鋼或不鏽鋼,測（cè）量電（diàn）*上的直流噪聲（shēng）也很大。
在測量鹽酸、硫酸等腐蝕性很強的介質時,盡管測量電*是（shì）鉭或鉑能夠耐強酸腐蝕;但金屬接液部件的材質是碳鋼、不鏽（xiù）鋼,耐（nài）不了（le）強酸的腐蝕,直流噪聲也增大,會發生輸出的大幅度擺動。所（suǒ）以,在重（chóng）視測量電*不被腐蝕的同時,必須（xū）注意信號基準的接液環的材質耐腐蝕。
從式(2)可以看到,*化電位受溫度影響(式中,T是絕（jué）對溫度)。這說明直流噪聲與溫度有（yǒu）關,是個漂移量。它的存在將使流量計發（fā）生漂移和擺動（dòng）。因此,除了降低*化電壓外,轉換器必須能夠有電容進行直流噪聲隔離,免（miǎn）於進入放大器被放大。
4、結束語
直流（liú）噪聲對電磁流量信號的基準的穩定性十分重要。直流噪聲的成因不限於接液部件金屬*化電壓(材料腐蝕),它還包含地磁感應電壓（yā）、溫差電勢、接觸電勢以及（jí）電*汙染等諸多方（fāng）麵的原（yuán）因。這裏,我們不多討論。

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